人体骨骼显微硬度及其相关因素初步研究



·研究快报·

人体骨骼显微硬度及其相关因素初步研究

胡祖圣，李升，刘国彬，王建朝，殷兵，张晓娟，吴卫卫，张英泽*(河北医科大学第三医院骨科，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051)

[关键词]人体；骨骼；显微硬度；相关因素

doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.01.032

人体骨骼是一种由无机质和有机质构成的复合材料，骨组织按照成分分类主要是由矿物质、Ⅰ型胶原蛋白和水组成的结缔组织，前两者决定了其硬度和韧性。骨骼的生物力学性能一直是研究的重要课题。骨骼硬度指的是骨骼局部抵抗硬物压入其表面的能力[1]。骨骼硬度一直被认为是评价骨骼质量的重要指标。早在1929年Lexer首次描述人体骨骼宏观硬度这一重要概念，1954年Carlström首次应用硬度测试仪测试人体骨骼显微硬度并指出显微硬度与骨组织的矿化程度相关。1958年Amprino[2]、1966年Weaver[3]则利用显微压痕方法测量鸟类和水牛微观骨硬度并探讨骨骼在干燥、加热的处理条件下骨骼显微硬度变化情况。通过检索并复习文献发现到目前为止，国内、外尚未见到有关人体骨骼硬度的系统研究报告，河北医科大学第三医院张英泽教授在国内率先提出人体骨骼硬度系统研究计划，以人体骨骼为框架，运用维氏显微硬度测量仪测量人体全身骨骼显微硬度值，并描绘出人体全身骨骼硬度图，寻找每块骨骼最强硬度区域，在此基础上进一步探究骨硬度与骨密度、骨代谢、骨微观结构及理化成分、骨强度、弹性模量以及螺钉把持力等因素之间相关关系。

1研究方法

1.1QCT及显微硬度值测定取出同一尸体(来自尸体捐献者)的全身与骨科相关骨骼(上肢骨、下肢骨和脊椎骨盆躯干骨)，首先行全部骨骼X线及QCT检测，先用微型台锯及高精慢速锯将骨骼制成厚3 mm的试样固定在载玻片上并标记。用碳化硅粒依次为800、1 000、1 200、2 000、4 000目砂纸打磨标本，表面给予抛光，置于-20 ℃冰箱冷藏。标本从冰箱取出后放至常温下解冻。应用德国KB-5型显微维氏硬度仪测试骨骼横截面硬度值，本研究采用50 g力加载50 s、维持12 s标准操作方法测定，并根据解剖位置准确记录。

1.2骨试样弹性模量及骨骼强度的测定对骨试样进行两端包埋固定后，将试样装载于Elecroforce 3520-AT型生物力学试验机上(美国Bose公司生产，河北省骨科研究所提供)，以0.05 mm/s的加载速度对骨试样进行单次力学压缩加载，直至骨试样屈服破坏，通过试验机程序采集数据得到位移-载荷曲线转换得到应力与应变曲线，通过公式计算出试样的弹性模量。本研究定义弹性模量为应力-应变曲线屈服点前最佳线性段的斜率。骨强度定义为根据应力-应变中出现拐点、试样破坏需要的力。

1.3螺钉把持力的测定显微硬度测量后的试样接着行螺钉把持力测定。通过该研究旨在阐明骨骼显微硬度值与螺钉把持力大小的相关关系。

1.4人体骨的微观结构分析在显微硬度测量的基础上，选择全身骨骼有代表性、硬度值差异部位骨组织进行扫描电镜下观察，观察其微观结构间差异。尝试从骨的微观结构阐述人体骨骼硬度分布规律。

1.5人体骨骼理化成分分析采用骨组织成分分析方法分析人体不同部位骨骼成分(骨矿含量、胶原含量等)构成，重点研究骨骼硬度差异部位的成分间异同，试图从人体骨骼的理化构成层面揭示骨骼显微硬度的分布规律。

1.6骨代谢相关指标、性激素测定采集临床不同年龄组骨科手术患者术中骨组织标本，测定其显微硬度，根据患者性激素水平、骨代谢相关指标检测、体质量指数、腰臀围等以及QCT结果分析人体骨骼显微硬度与骨代谢之间相关关系。

2讨论

2.1骨显微硬度与骨组织微观结构及理化成分据文献报道，骨组织是一种具有7级复杂等级结构的不均质材料，主要由羟基磷灰石、Ⅰ型胶原和水组成，具有很好的硬度和强度，其生物力学性质取决于其物质组成和结构，骨组织矿物含量决定其硬度[4]。骨组织矿物质又称骨盐，主要成分是磷酸钙、碳酸钙、柠檬酸钙及磷酸氢二钠等。它们以结晶的羟基磷灰石和无定形的胶体磷酸钙的形式分布在骨基质中。羟基磷灰石结晶呈片状，约40 nm×20 nm×5 nm大小，分子式为Ca10(PO4)6(OH)2。钙、磷晶体排列呈小柱状，环绕着哈佛系统排列，通常认为骨的坚硬程度取决于骨基质中羟基磷灰石晶体排列。有机质的主要成分是骨胶原纤维，占有机细胞间质的90%。骨胶原纤维的直径约为50 nm，组成骨的Ⅰ型胶原分子平行排列连接形成胶原微纤维，胶原微纤维的直径约为100 nm，微纤维之间轴向连接，并具约30 nm 的空隙，钙、磷晶体嵌插在这些空隙中形成矿化胶原纤维；矿化胶原有序平行排列集结成束，矿化胶原束组合有平行排列、纤维交织结构、夹合板结构、纤维放射状排列4种形式[4]，其中平行排列是最常见的排列模式，胶原纤维在板层骨内环绕血管间隙呈同心圆排列，在骨松质内与骨小粱呈纵轴平行排列。同时也有许多胶原纤维穿过板间区以增加骨对机械应力的抵抗。

通过研究我们提出假设，骨骼的显微硬度与胶原纤维的排列方向有关，皮质骨中骨板有3种构筑方式：①哈佛系统，由纵向的哈佛管为骨中心管，外周环绕着近似同心圆排列的矿化的胶原板层构成圆柱状结构，每一个哈弗系统都是独立的代谢单元，因此又称为骨结构单位,简称骨单位；②间骨板，为哈弗系统之间形态不一、排列规则的骨板，是骨重建过程中遗留的陈旧骨单位；③内、外环骨板，构成皮质骨内外层，在长骨围绕干排列的骨板，在扁骨称为内、外板。我们将研究不同类型的骨板的显微硬度差异，更好地揭示骨组织的不均质性。在松质骨中，骨板平行排列形成月牙形小捆状结构，又称为骨捆包,相当于半个哈弗系统，长约1 000 μm，厚60 μm。骨捆包是松质骨的基本组成单位。骨捆包之间进一步连接形成三维立体骨小梁结构。松质骨是由大量针状或片状骨小梁连接而成的多孔网架结构，根据不同部位受力遵从Wolf定律排列，与皮质骨一样具有非均匀的各向异性特点。

有研究表明骨骼显微硬度可能与构成骨板的骨单位中纤维排列方向及方式、组织矿化程度以及水分含量相关。骨组织矿化程度越高，其组织硬度越强，我们通过研究试图初步揭示人体骨骼显微硬度大小分布与组织构成及微观结构的相关关系。

2.2骨显微硬度与骨密度及骨代谢骨密度又称为骨矿密度，指的是单位面积或体积骨内矿物质含量。骨密度被认为是诊断骨质疏松症和预测骨质脆性的“金标准”，也被广泛认为是评估骨质疏松性骨折风险的重要手段[5]。骨质疏松症是以骨量减少、骨组织显微结构退化为特征的全身性骨骼系统退行性疾病。骨量的减少和骨组织微观结退化使骨折的易感性明显增高。研究表明骨密度所能反映的骨强度变化是有限的。

目前骨密度仍然是评估骨质疏松症的主要手段，但不全面，结合骨组织组成、微观结构以及生物力学性能，全面地评估骨质量对骨折的预防及治疗有重要的临床价值。在本研究中，我们应用QCT法测量全身骨骼骨密度，并初步研究骨硬度与骨密度相关关系。我们认为骨硬度较骨密度更能真实反映骨骼的生物力学性能。

2.3骨显微硬度、骨强度与骨质量骨强度指的是骨骼某一局部在不发生骨折的条件下所能承受的最大外力[6]。当外力超过骨强度时骨折发生，从机械角度来看，骨强度不仅依赖于骨量多少，更多地依赖于骨组织各成分之间的空间构筑，即骨的内部结构。目前尚无精确的方法测量骨强度，骨密度作为一种非侵袭性检查结果，常被用来替代骨强度，并作为骨折风险的预测工具。研究表明松质骨的骨密度可以解释60%~80%力学强度。但骨密度只是部分解释了骨强度，在骨折风险的预测和治疗效果的评估上有一定的局限性。

有研究认为骨强度与骨组织结构密切相关，纵向排列的胶原纤维可明显增加皮质骨的拉伸强度，而含有大量混合胶原纤维排列方向的骨单位具有较高的压缩强度[7]。骨强度能全面评价骨质疏松患者的骨质和骨量。骨质包括骨组织显微空间构筑、骨的生物力学2个方面，是对骨性质的评价措施。骨质量是一综合概念，包括骨骼的显微构筑、胶原成分、骨基质矿化程度、骨代谢转换和骨骼积累性破坏(显微骨折)及修复等总称。相信随着对骨骼显微硬度研究的深入，将进一步阐明骨强度与骨骼显微硬度之间的相关关系。我们期待人体骨骼显微硬度能够成为评价骨强度的参考指标，能更好地预测和评估骨质量。

2.4骨显微硬度、骨弹性模量及螺钉把持力研究表明骨骼显微硬度与骨弹性模量相关，前者与骨组织的矿化矿化程度相关，后者与骨组织的有机成分胶原纤维相关，健康的骨组织是两者之间形成的动态平衡。本研究全面而系统地利用中国人的骨骼测量骨骼显微硬度值分布及弹性模量，初步探讨并建立骨显微硬度与弹性模量之间的关系，并在此基础上进一步研究螺钉把持力大小与上述两者间的相关关系。

目前研究认为骨密度可作为螺钉把持力大小的预测因素，螺钉的把持力与螺钉骨界面组织类型及微观结构密切相关[8]。在此基础上，我们提出假设——人体骨骼的显微硬度值大小与螺钉把持力呈正相关关系，但尚需要用试验数据去证实。

[参考文献]

[1]Lees S. A model for bone hardness[J]. J Biomech,1981,14(8):561-567.

[2]Amprino R. Investigations on some physical properties of bone tissue[J]. Acta Anat (Basel),1958,34(3):161-186.

[3]Weaver JK. The microscopic hardness of bone[J]. J Bone Joint Surg Am,1966,48 (2):273-288.

[4]Weiner S,Traub W,Wagner HD. Lamellar bone:structure-function relations [J]. J Struct Biol,1999,126(3):241-255.

[5]Partanen J,Heikkinen J,Jämsä T,et al.Characteristics of lifetime factors ,bone metabolism,and bone mineral density in patients with hip fracture[J]. J Bone Miner Metab,2002,20(6):367-375.

[6]Seeman E,Delmas PD.Bone quality--the material and structural basis of bone strength and fragility[J]. N Engl J Med,2006,354(21):2250-2261.

[7]Hoc T,Henry L,Verdier M,et al.Effect of microstructure on the mechanical properties of Haversian cortical bone[J]. Bone,2006,38(4):466-474.

[8]Brianza S,Röderer G,Schiuma D,et al.Where do locking screws purchase in the humeral head?[J]. Injury,2012,43(6):850-855.

(本文编辑：刘斯静)

[中图分类号]R336

[文献标志码]B

[文章编号]1007-3205(2016)01-0102-03

[作者简介]胡祖圣(1979-)，男，安徽安庆人，河北医科大学第三医院主治医师，医学博士研究生，从事创伤骨科及关节疾病诊治研究。*通讯作者。E-mail：yzling_liu@163.com

[收稿日期]2015-12-24；[修回日期]2016-01-04